MEMS多域耦合非線性宏建模的軌跡分段線性化方法研究.pdf

1、航空、航天等國防科技領(lǐng)域?qū)Ω叨薓EMS產(chǎn)品的需求，給MEMS產(chǎn)品的性能指標(biāo)提出了更高要求，這使得MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)面臨新的挑戰(zhàn)。而 MEMS器件的微型化和多學(xué)科交叉的特性，使得MEMS的建模和仿真通常涉及多物理場耦合，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)行為方程具有非線性特性。因此在高端MEMS與IC聯(lián)合仿真中，如何建立MEMS器件及非線性電路的非線性宏模型，加速高端MEMS系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化成為一個(gè)重要的研究課題。
　　本文針對(duì)MEMS與IC聯(lián)合仿真

2、對(duì)具有高精度、高效率和良好擴(kuò)展性的非線性宏模型的需求，研究了基于軌跡分段線性化（TPWL)方法的非線性宏建模方法，并利用非線性傳輸線電路、柔性熱敏傳感器、微機(jī)械開關(guān)、柔性微熱執(zhí)行器、平板式微熱執(zhí)行器和靜電微泵隔膜對(duì)方法的有效性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。主要研究工作如下：
　　1)針對(duì)目前非線性熱電耦合問題宏建模研究的不足，利用TPWL方法解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱電耦合MEMS器件的宏建模問題。以MEMS柔性熱敏傳感器為例，分析了局部降階階數(shù)和線性

3、化點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)宏模型精度、階數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明，利用 TPW L方法生成的熱電耦合宏模型在具有很高的仿真效率和近似精度的同時(shí)，還具有良好的可擴(kuò)展性，可用于MEMS熱電器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)仿真。
　　2)提出了基于全局最大誤差控制的改進(jìn)TPWL方法（TPWL-GMEC方法），解決了TPWL方法難于選取高質(zhì)量線性化點(diǎn)的問題。通過非線性傳輸線RC電路、非線性傳輸線RLC電路和微機(jī)械開關(guān)驗(yàn)證了 TPWL-GMEC方法的有效性。

4、相比于其他線性化點(diǎn)選擇算法，本文方法既適用于單軌跡情形又適用于多軌跡情形，所生成的宏模型具有更小的階數(shù)、更少的局部線性模型個(gè)數(shù)、更高的近似精度和更好的可擴(kuò)展性。
　　3)為了更好地實(shí)現(xiàn)MEMS熱電器件的系統(tǒng)級(jí)仿真、減少其優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的仿真工作量，以兩個(gè)MEMS熱微執(zhí)行器為例，介紹了 TPWL-GMEC方法在MEMS熱電器件宏建模中的應(yīng)用，進(jìn)一步展示了 TPWL-GMEC方法在提取非線性熱電耦合宏模型時(shí)具有仿真精度高、降階效果好、